Modellazione agli elementi finiti per lo studio del processo di piegatura di barre spinali in flessione a 4 punti : analisi di sensitività

Spinal fixation devices, formed by spinal rods and pedicle screws, are considered to be the gold standard for the treatment of many pathologies of the spine. In order to be compliant with the diseased spinal column, rods undergo a contouring process before the implantation that leads to an internal residual state of stress. Experimental evidences showed how this consequence affects the mechanical fatigue properties of the rod, increasing the chances of implant failure. By the use of FE models is possible to search how multiple features related to the contouring process influence the results on the rod. The aim of this work is to carry out a sensitivity analysis on a titanium spinal rod with circular cross section, by varying some characteristics related to the contouring process. The study is about building and executing a set of FE simulations which are intended to recreate a single uniform contour throughout a 4-points bending setup, modifying the radius of the rod contact elements (i.e.: rollers), and their material (steel and aluminum). The sensitivity analysis on the material of the rollers points out that steel rollers seem to bring to a more effective contouring process as far as exerted bending moments and possible rod residual curvatures are concerned. However, their usage causes a more severe residual state of stress as well. On the other hand, the sensitivity on the radius of rollers doesn’t bring to evident differences on the outcome of the process.

I sistemi di fissazione spinale, provvisti di barre spinali e viti peduncolari, sono considerati il gold standard nella cura di numerose patologie a carico del rachide. In modo da rispecchiare le caratteristiche della colonna vertebrale da trattare, le barre subiscono un processo di piegatura (“contouring”) prima di essere impiantate, il quale però, comporta la generazione di uno stato di sforzo residuo al loro interno. Evidenze sperimentali hanno mostrato come questo effetto condizioni le proprietà a fatica della barra stessa, aumentando il rischio di fallimento dell’impianto. Grazie a dei modelli computazionali agli elementi finiti è possibile andare a investigare come molteplici aspetti legati al metodo di piegatura scelto ne influenzino gli esiti sulla barra. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di condurre un’analisi di sensitività su una barra in titanio di sezione circolare variando alcune delle caratteristiche legate al processo di piegatura. Lo studio consiste nella creazione e svolgimento di un set di simulazioni computazionali volte a riprodurre un metodo per ottenere una piegatura uniforme applicando una flessione a 4 punti, variando il raggio degli elementi di contatto con la barra (i.e.: rulli) e dei materiali a essi associati (acciaio e alluminio). I risultati dell’analisi di sensitività sul materiale mostrano che l’utilizzo di rulli in acciaio determina un processo di piegatura più efficace in termini di momenti flettenti esercitati e range di curvature residue attuabili, anche se comporta la comparsa di sforzi residui più marcati. D’altro canto, dall’analisi di sensitività sul raggio dei rulli non risultano evidenti degli effetti particolari sulla riuscita del processo.